纳米材料在日常生活中变得必不可少，在食品、护肤品、药物和疫苗中都有应用。传统上，纳米颗粒（NPs）的表面化学被认为是决定它们与生物系统相互作用的关键因素。然而，最近的研究表明，纳米材料的机械性能在调节纳米-生物相互作用方面同样重要，尽管它们经常被忽视。因此，
调整纳米材料的机械性能并针对生物医学应用进行设计至关重要。
近期，
阿德莱德大学Chun-Xia Zhao团队
综述了纳米药物的力学特性对其生物相互作用和治疗性能影响的一些最新进展，包括在肿瘤靶向药物递送、纳米疫苗和其他新兴应用，如口服和鼻内给药方面的应用。
相关研究成果以
“Critical Role of Nanomaterial Mechanical Properties in Drug Delivery, Nanovaccines and Beyond”
为题于2024年12月31日发表在《
Advanced Materials
》上。
2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了机械感觉压电离子通道的发现，这是机械生物学的一个重要里程碑。这种认识突出了机械信号在各种基本生物功能中的关键作用。在数十亿年的进化过程中，
生物已经发展出利用机械信号作为多种生物过程的有效调节器的能力，从器官功能到单细胞行为（图1）。
如脾脏可以通过辨别健康红细胞和异常红细胞之间的机械差异来过滤血液；微生物的机械特性会影响它们与宿主的相互作用；在衰老、感染、组织损伤和癌症等自然过程中，可能会发生组织力学的变化（如细胞外基质刚度、组织弹性、细胞外液粘度），作为免疫系统调节先天和适应性免疫反应的“危险信号”；此外，来自外基质的机械信号已被证明对细胞成熟和分化有显著影响。
图1 自然生物过程中的机械线索
机械性能是指材料在外力作用下的反应特性。在文献中，包括
弹性、刚性、刚度、柔韧性、模量、柔软性、柔韧性和弯曲性能在内的几个术语被用来描述纳米材料的机械性能。
这种可变性反映了表征纳米材料力学性能所采用的不同技术和方法。
水凝胶是具有三维结构的亲水聚合物网络，能够吸收大量的水。通过乳液聚合的方法，水凝胶可以制成单分散的NPs，
其力学性能可以很容易地通过控制交联度来调节，通常是通过在聚合过程中调节交联剂或单体的浓度来调节
。一个研究库报道了用于生物医学目的的具有可调机械性能的水凝胶NPs（表1）。尽管易于控制其弹性，但由于其固有的富水性，
水凝胶NPs的最大杨氏模量通常限制在几MPa
。为了进一步提高水凝胶NPs的弹性，可以在配方中加入小型介孔硅NPs（≈10 nm）等机械改性剂。
高分子NPs代表了另一组易于调节机械性能的纳米材料。
具有可调刚度的聚合物NPs通常由聚合物的自组装形成，由疏水或静电相互作用驱动，
有或没有额外的交联过程。与通常通过亲水性单体乳液聚合制备的水凝胶NPs相比，
聚合物NPs允许更广泛的制备方法和机械调谐选择。
由于优越的生物利用度、生物相容性和生物降解性，脂质体NPs作为治疗载体被广泛研究。
调节脂质体硬度的方法是改变脂质组成和结构
。此外，核壳二氧化硅纳米胶囊最近成为制造机械可调谐纳米粒子的一种有吸引力的系统。这些囊状NPs由一个包裹在硅壳内的内腔组成，
通过操纵外壳的化学成分或控制外壳厚度，可以调节这些二氧化硅纳米胶囊的刚性。
表1 不同类型的机械可调NPs及其生物医学性能（部分）
纳米药物给药后，在到达目标作用位点之前会经历多个生理过程。尽管这些过程不一定涉及与免疫系统或靶细胞的直接相互作用，但它们显著影响纳米药物的生物学命运和整体功效。本文讨论了
纳米药物力学特性对关键生理过程的影响
，包括生理流动条件下纳米药物力学性能对输运的影响（图2a-b）、纳米药物力学性能对通过生理相关滤液和水凝胶的影响（图2c-e）、纳米药物力学性能对蛋白质电晕形成的影响（图2f-g）。
图2 NP力学性质对生理过程的影响
通常，
用于肿瘤靶向药物递送的纳米药物是通过静脉注射给药的，在最终将有效载荷递送到靶细胞之前可能会遇到一系列生物屏障。这些包括血液循环过程中免疫系统的清除（图3），渗漏血管的外渗，通过增强的渗透性和滞留效应（EPR）在肿瘤组织中积累（图4），随后渗透到肿瘤中（图5）并被癌细胞内化（图6）。
近年来，纳米药物的力学性质如何影响这些生物过程，从而影响其抗癌药物的传递效果已经引起了人们的广泛关注。越来越多的证据表明，微调纳米药物的弹性可能是提高治疗效果的有效策略。
图3 纳米药物力学性能对血液循环和生物分布的影响
图4 纳米药物力学性能对肿瘤靶向和蓄积的影响
图5 纳米药物力学性能对肿瘤穿透的影响
图6 纳米药物力学性能对细胞相互作用的影响
近几十年来，NPs常被作为一种提高疫苗治疗效果的递送系统。与灭活病毒等传统疫苗相比，基于NPs的疫苗（纳米疫苗）能够将抗原有效载荷和佐剂同时递送到APCs，特别是DCs，从而最大限度地提高免疫反应（图7）。就像设计用于肿瘤靶向药物递送的纳米载体一样，
纳米疫苗的机械特性深刻地影响着它们的生物学命运和生物医学性能。
图7 纳米药物力学性能对纳米疫苗性能的影响
除了肿瘤靶向药物输送和纳米疫苗外，纳米药物在其他生物医学领域也有应用，包括通过口服和鼻内给药（图8）。与注射相比，这些给药途径有几个优点，例如可能
